Постоянная уравнения однородной линии для комплекса напряжения

Цепи с распределенными параметрами. Однородные линии. Уравнения передачи однородной линии

Страницы работы

Содержание работы

XVIII Цепи с распределенными параметрами

18.1 Однородные линии

Электрическая цепь, у которой геометрические размеры соизмеримы с длинной волны ( ) и у которых индуктивность, емкость, сопротивление и проводимость распределены по длине, называется электрической цепью с распределенными параметрами.

Если геометрические размеры электрической цепи намного меньше длины волны  ( ), то такая электрическая цепь называется цепью с сосредоточенными параметрами. Условие – условие квазистационарности

Если только один из размеров не удовлетворяет условию , то такая цепь называется длинной линией. Различают: однородные и неоднородные длинные линии.

• Однородные длинные линии – это линии, у которых параметры неизменны при изменении расстояния.
• Неоднородные линии – это линии, у которых параметры изменяются с изменением расстояния.

Первичные параметры однородной длинной линии.

равны значениям соответствующих распределенных параметров, измеренных на отрезке линии единичной длины (1 км для линии проводной связи и 1 м для линии радиосвязи).

К первичным параметрам относятся:

–сопротивление R; –проводимость G; – индуктивность L; – емкость С.

Вторичные параметры длинной линии

1. Волновое сопротивление линии, [Ом].

Для однородной линии, рассматриваемой между выходными и входными выводами как симметричный четырехполюсник, волновое сопротивление равно характеристическому сопротивлению .

2. Коэффициент распространения

 – коэффициент ослабления длинной линии [Нп/км], [Нп/м] или [ДБ/км], [ДБ/м];

Характеризует изменение тока и напряжения по абсолютной величине на единицу длины

— собственное ослабления линии [Нп] или [ДБ];

Ослабление сигнала на расстоянии х от начала линии

 – коэффициент фазы [рад/км], [рад/м], [градус/км], [градус/м].

Характеризует изменение тока и напряжения по фазе на единицу длины

— собственная фаза линии [рад], [градус].

18.2 Уравнения передачи однородной линии

• Напряжение и ток в любой точке линии является функцией времени t и расстояния х
• Выделим отрезок линии длиной х и представим эквивалентную схему длинной линии с выделенным участком х на расстоянии х от генератора

Телеграфные уравнения длинной линии

Для установившегося гармонического колебания телеграфные уравнения имеют вид

Для решения телеграфных уравнений необходимо разделить переменные (U и I). Для этого продифференцируем уравнения по х. В полученные уравнения подставим вместо и их выражения из системы уравнений для установившегося гармонического колебания

Волновые уравнения длинной линии

Поскольку волновые уравнения – линейные дифференциальные однородные уравнения 2-го порядка, то их решение в произвольном сечении х находится в виде

– постоянные интегрирования, определяемые из граничных условий, в качестве которых обычно используют напряжение и ток, либо в начале линии ( и при х = 0), либо ток и напряжение в конце линии ( и при х = ).

Решение для тока, как правило, выражают через найденное напряжение

Определяем постоянные интегрирования из системы уравнений для напряжения и тока при x = 0

Уравнения передачи в гиперболической форме

Уравнения передачи в начале линии , через напряжение и ток в конце линии

Уравнение передачи в конце линии , через напряжение и ток в начале линии

18.3 Волновые процессы в однородной длинной линии

В линиях с потерями (  0) рассматривают бегущие затухающие прямые и обратные волны и их суперпозиции. Бегущая волна – волна, перемещающаяся вдоль линии.

Прямая бегущая волна – волна, перемещающаяся от начала к концу линии. Обратная бегущая волна – волна, перемещающаяся от конца к началу линии

Падающая волна – прямая бегущая волна. Отраженная волна – частный случай обратной бегущей волны, возникающей в результате неравенства волнового сопротивления линии и сопротивления нагрузки ( ).

Уравнения передачи для мгновенных значений в любом сечении

Соотношения между волнами в начале (x = 0) и в конце (x = l) линии

Длина волны – расстояние между ближайшими точками х1 и х2, взятое в направлении распространения волны, фазы колебания в которых отличаются на 2.

Фазовая скорость – скорость перемещения фазы колебания

За один период колебания бегущая волна проходит расстояние, равное длине волны

Коэффициент отражения по напряжению (току) –отношение комплексной амплитуды отраженной волны напряжения (тока) к комплексной амплитуде падающей волны напряжения (тока).

показывает, какую часть комплексной амплитуды падающей волны составляет комплексная амплитуда отраженной волны

Коэффициенты отражения по напряжению и по току в начале линии

Коэффициенты отражения по напряжению и по току в конце линии

Режим согласованного включения

• В линии – только падающие волны
• Нет эхо-сигналов — нет искажений
• Минимальное рабочее ослабление

Линия без искажений

Линия, на приемном конце которой сохраняется форма передаваемого сигнала

Для такой передачи необходимо:

1. Ослабление и фазовая скорость – постоянны

2. 3. Линия согласованно нагружена

Подберем первичные параметры так, чтобы — условие Хевисайда

Для реальных линий обычно

Уменьшение R – увеличение диаметра провода (дорого)

Уменьшение С – увеличение расстояния между проводами (не всегда возможно)

Увеличение G – рост затухания

Лучше всего – искусственное увеличение L

При передаче ВЧ сигнала автоматически получается линия без искажений

18.4 Волновые процессы длинной линии без потерь

Такая линия, для которой (для небольших линий на СВЧ)

Входное сопротивление линии

1. Согласованный режим работы в длинной линии без потерь

Режим бегущей волны

• Амплитуды колебаний постоянны
• Сдвиг фаз между током и напряжением равен нулю
• Мощность имеет активный характер

2. Режим короткого замыкания

Уравнение стоячей волны

Амплитуды напряжения и тока являются функциями координаты х

Нулевое значение – узел стоячей волны Максимальное значение – пучность стоячей волны

Стоячие волны возникают в длинной линии без потерь при условии, когда к длинной линии подключена нагрузка, модуль коэффициента отражения которой равен 1, при этом амплитуды падающей и отраженной волн напряжения (тока) переносят одинаковую мощность в прямом и обратном направлениях и энергия в нагрузке не потребляется.

3. Режим холостого хода

4. Линия, нагруженная на активное сопротивление, не равное волновому

— режим смешанных волн

Коэффициент бегущей волны

используется для оценки близости смешанной волны к режиму бегущей волны

Если , то в линии наступает режим стоячей волны, если , то в линии наступает режим бегущей волны.

Цепи с распределенными параметрами

Содержание:

Цепи с распределенными параметрами:

Как было показано в гл. I, электрическое и магнитное поле, а также превращение электромагнитной энергии в тепло, имеют место в каждом элементарном участке любых электрических устройств — индуктивных катушках, обмотках электрических машин и трансформаторов, линиях передачи электрической энергии и т. п. Следовательно, все устройства являются цепями с распределенными индуктивностью, емкостью и сопротивлением.

Однако, когда эти устройства рассматриваются в целом, они обычно заменяются эквивалентными двухполюсниками или четырехполюсниками с сосредоточенными параметрами г, L и С. Если устройство работает при одной частоте, эквивалентные схемы приводятся к простейшим — последовательному или параллельному соединению активного и реактивного сопротивлений для двухполюсника и к Т-образной или П-образной схеме с теми же элементами для четырехполюсника.

Если необходимо провести анализ для некоторого диапазона частот, эквивалентная схема становится тем сложней, чем шире этот диапазон. В общем случае приходится рассматривать цепь такой, какая она есть в действительности, т. е. как цепь с распределенными параметрами.

Необходимость рассмотрения устройств как цепей с распределенными параметрами возникает также в тех случаях, когда анализ должен выявить соотношения внутри устройства, например требуется определить напряжение и ток в разных точках линии передачи.

Далее методы расчета цепей с распределенными параметрами изучаются на примере однородных линий передач, широко применяемых в электроэнергетике и технике электрической связи.

Уравнения однородной линии

В двухпроводных однородных линиях индуктивность и сопротивление линии, а также емкость и проводимость через несовершенную изоляцию между проводами можно считать распределенными равномерно. Эти параметры на единицу длины двухпроводной линии, подсчитанные для линий различной конфигурации, в дальнейшем обозначены, соответственно, L, г, с, g.

Бесконечно малый элемент двухпроводной линии длиной dx может быть заменен эквивалентной схемой с параметрами Ldx, rdx, Cdx и rdx. На рис. 20.1 эта схема изображена жирными линиями и выбраны управления напряжений и токов. При этом индуктивность и сопротивление являются продольными параметрами линии, а емкость и проводимость — ее поперечными параметрами.

В каждом элементе dx линии происходит падение напряжения

В общем случае переменных напряжений и токов для элемента, расположенного на расстоянии х от конца линии и отмеченного на рис. 20.1 жирными линиями,

.

После сокращения на dx получается система уравнений в частных производных для мгновенных значений напряжений и токов:

решение которой при заданных начальных и граничных условиях определит u и i в функции х и t.

При анализе процессов в трехфазной линии каждая ее фаза может рассматриваться, как однофазная двухпроводная линия. Не приводя вывода, можно, например, указать, что для симметричной трехфазной воздушной линии, провода которой расположены в вершинах равностороннего треугольника и удалены от земли, эквивалентная каждой фазе двухпроводная линия имеет индуктивность I, вдвое меньшую, а емкость С, вдвое большую, чем двухпроводная линия с таким же расстоянием между проводами, как и трехфазная линия. Сопротивление г эквивалентной двухпроводной линии равно сопротивлению провода одной фазы, а проводимость g — проводимости одной фазы по отношению к земле.

Решение уравнений однородной линии для установившихся режимов

Режим постоянного напряжения:

Если к началу линии приложено постоянное напряжение U₀₁, npи установившемся режиме напряжения и токи в линии будут также постоянными. При подстановке в уравнения линии вместо переменных мгновенных значений u и i постоянных во времени U₀ и I₀ в каждой точке линии производные по t будут равны нулю и уравнения станут обыкновенными дифференциальными уравнениями, в которых независимой переменной является x — расстояние от конца линии:

Для получения из приведенной выше системы одного уравнения с одним неизвестным U₀ надо взять производную по х от первого уравнения:

и подставить сюда значение из второго:

Если положить, что , то

Характеристическое уравнение и его корни имеют вид:

Общее решение для напряжения на расстоянии х от конца линии получает вид:

Следовательно, ток в этой точке

Отсюда видно, что однородную линию характеризуют две величины: — волновое сопротивление икоэффициент распространения.

Постоянные интегрирования определяются из граничных условий, которыми могут быть две из четырех величин, например напряжение U₀₁ ток I₀₁ в начале линии или U₀₂, I₀₂ в конце линии. Пусть заданы напряжение U₀₂ и сопротивление r₂ нагрузки и тем самым ток Тогда для конца линии, т. е. при х = О,

Откуда

Следовательно, напряжение и ток на расстоянии х от конца линии будут:

Таким образом, напряжение и ток в любой точке линии определяются алгебраическими суммами ординат двух экспоненциальных кривых. Ординаты кривой с уменьшаются от начала к концу линии, а ординаты кривой — от конца к началу. На рис.. 20.2 показаны составляющие и суммарные кривые U₀ и I₀ для случая r₂ > р. Если включенное в конце линии сопротивление равно волновому, т. е. r₂ = р, вторые члены выражений для U₀ и I₀ пропадают, и распределение U₀ и I₀ = вдоль линии представляется одной зкспонентой.

Следовательно, в однородной линии постоянного тока происходит затухание напряжения и тока вдоль линии, определяемое коэффициентом распространения который в данном случае является также коэффициентом затухания.

Режим синусоидального напряжения

Если к началу линии приложено синусоидальное напряжение постоянной угловой частоты ω, при установившемся режиме напряжение и ток в каждой точке линии будут также синусоидальными функциями времени той же частоты. Так как синусоидальные напряжение и ток являются частным случаем переменных и и i, в расчетах надо учесть все параметры линии рис. 20.1, т. е. r, L, g и С.

Применяя символический метод, можно использовать результаты расчета для линии постоянного тока (п. 1), заменив продольное сопротивление r комплексным сопротивлением а поперечную про водимость g комплексной проводимостью . Тогда характеристиками линии будут волновое сопротивление Z коэффициент распространения y:

Вещественная часть а коэффициента распространения является коэффициентом затухания, а мнимая называется коэффициентом фазы.

При указанном переходе от постоянного тока к синусоидальному комплексные напряжения и ток на расстоянии х от конца линии получают вид:

Если ввести гиперболические функции

выражения для будут:

Эти уравнения аналогичны уравнениям для однородных симметричных цепных схем, что и следовало ожидать, так как однородная линия рассматривалась как однородная цепная схема с бесконечно большим числом элементарных звеньев.

Однородная линия в целом является симметричным пассивным четырехполюсником. Его уравнения получают из последних выражений при х =1, где 1 — длина линии:

Параметры этого четырехполюсника

Из уравнений линии видно, что напряжение и ток в любой точке линии являются также функцией частоты ω, так как от нее зависят волновое сопротивление Z, коэффициент распространения у и его составляющие . Это значит, что в случае сложной формы кривых напряжения и тока, имеющей место в линиях связи, отдельные гармоники будут передаваться с разным коэффициентом затухания а, что вызывает нежелательные искажения. Чтобы их избежать, строят линии, у которых юТогда коэффициент распространения

и, следовательно, коэффициент затухания а = не зависит от частоты. Волновое сопротивление такой линии

является вещественным числом, т. е. активным сопротивлением, также независящим от частоты. В результате передача будет осуществляться без искажения. Такая линия называемся неискажающей.

Бегущие и стоячие волны

Уравнения линии для режима синусоидального напряжения могут быть преобразованы. После введения значения и обозначений

комплекс напряжения в линии получает вид:

Переходя к мгновенному значению напряжения

его можно рассматривать как сумму двух составляющих , зависящих от х и t.

В любой фиксированный момент времени первая составляющая иА распределена вдоль линии по закону синуса с амплитудой, которая и соответствии с множителем е» возрастает от конца линии к ее началу, т. е. затухает от начала линии к ее концу. Если в данный момент времени I’ в точке х’

то в точке х» 2 , прив р, тогда коэффициент отражения n от конца линии равен отношению отраженной волны к падающей, вычисленному в п. 2:

и. волна напряжения U₀ отразится от конца линии без перемены знака, а волна тока I₀ с переменой знака. На рис. 20.11, а показан напряжение и ток линии после отражения для г₂ = 4р, т.е. для = 0,6. Отраженные волны 0,6 U₀ и — 0,6 I₀ увеличивают напряжение до 1,6 U₀ и уменьшают ток до 0,4 I₀. После отражения от начала инии волна — 0,6 U₀ снизит напряжение линии до U₀, а волна — 6 I₀ снизит ток до — 0,2 I₀ (рис. 20.11, б). В результате второго отра-ения от конца линии напряжение на ней будет 0,64 U₀, а ток 0,16 I₀ же. 20.11, в) и т. д.

При включении короткозамкнутой линии ее конец, как. и начало, удут отражать волну напряжения с переменой знака, а волну тока — без перемены. При включении такой линии волны напряжения U₀ I тока I₀ при t 1 Обоснованием высказанного положения является линейность уравнений (11-2) и (11-3), так как только в таких уравнениях сохраняется синусоидальность всех функций.

Применяя комплексную форму записи, перепишем уравнения в комплексном виде:

Ввиду того что комплексные значенияне зависят от t и являются только функциями х, при переходе от уравнений (11-2) к (11-4) частные производные по х заменены обыкновенными.

Исключая из системы (11-4) ток получаем уравнение относительно

Аналогично, исключая из (11-4) напряжение получаем уравнение относительно

Обозначим квадратный корень из комплексного множителя при или через

и назовем эту величину коэффициентом распространения. Смысл такого названия выяснится позже. Итак, уравнения (11-5) и (11-6) записываются в виде

Получились одинаковые однородные линейные дифференциальные уравнения второго порядка. Решение первого из них имеет вид:

Ток после этого получается подстановкой (11-9) в первое уравнение (11-4):

или

где

называется волновым сопротивлением линии

Смысл такого названия объяснен дальше. Подставив (11-7) в (11-9), получим:

Мгновенное значение напряжения в точке х равно мнимой части выражения

здесь — аргументы комплексных величин

Таким образом, мгновенное значение напряжения в любой точке линии слагается из двух функций.

Рассмотрим вначале первую из этих слагающих функций.

Если считать точку х фиксированной и рассматривать изменение напряжения в данной точке в зависимости от времени, то первая слагающая выражения (11-12) представит собой синусоидальную функцию с постоянной амплитудой.

Если же считать момент времени t фиксированным и рассматривать изменение мгновенного напряжения вдоль линии (т. е. в зависимости от х), то получим затухающую синусоидальную волну напряжения, амплитуда которой убывает с ростом х, т. е. по мере удаления-от начала линии к концу.

Величина а, характеризующая изменение амплитуды волны на единицу длины линии, называется коэффициентом ослабленияа величина равная изменению фазы на единицу длины линии, называется к о-эффициентом фазы.

Ранее применялся термин коэффициент затухания.

Убывание амплитуды волны вдоль линии обусловливается потерями в линии, а изменение фазы — конечной скоростью распространения электромагнитных колебаний.

Оба эти коэффициента а и входят в комплексный параметркоторый, следовательно, характеризует распространение волны напряжения и тока по линии.

На рис. 11-3, а буквой обозначена длина волны напряжения, равная расстоянию между двумя точками линии, в которых фазы рассматриваемой слагающей напряжения различаются на

Полученная формула выражает зависимость, существующую между длиной волны и коэффициентом фазы линии.

На рис. 11-3, а изображены волны напряжения, соответствующие двум следующим друг за другом моментам времени:

С течением времени волна перемещается от начала линии к ее концу; она носит название прямой, или п а-дающей, волны.

Скорость перемещения падающей волны вдоль линии, называемая фазовой скоростью волны определяется как скорость перемещения точки, фаза колебания в которой остается постоянной.

Скорость распространения группы смежных по частоте волн характеризуется понятием групповой скорости].

Эго условие записывается для прямой волны в виде

откуда

и, следовательно,

Аналогичное исследование второго слагаемого выражения (11-12) показывает, что для произвольного момента времени оно представляет синусоидальную волну, амплитуда которой еах возрастает с увеличением х, т. е. по мере удаления от начала линии к ее концу. С течением времени волна перемещается от конца линии к ее началу (рис. 11-3,6); она называется обратной, или отраженной, волной.

Фазовая скорость обратной волны получается равной

знак минус указывает, что обратная волна

движется в направлении, противоположном направлению прямой волны.

Итак, мгновенное напряжение можно рассматривать как сумму двух волн, движущихся в противоположных направлениях, причем каждая из этих волн затухает в направлении движения.

На основании (11-13) и (11-14)

т. е. за время, равное одному периоду, как падающая, так и отраженная волны перемещаются на расстояние, равное длине волны.

Линии, физическая длина которых соизмерима с длиной волны, считаются длинными линиями. При достаточно высоких частотах практически любая протяженная электрическая цепь становится «длинной» по отношению к длине волны.

Как будет показано ниже, фазовая скорость в воздушной линии близка к скорости света

и поэтому частоте 50 Гц будет соответствовать длина волны 6000 км, а частоте Гц — длина волны 10 см. Следовательно, в первом случае длинной линией будет линия, измеряемая многими сотнями или тысячами километров, а во втором случае — цепь протяженностью в несколько сантиметров.

Возвращаясь к уравнениям (11-9) и (11-10) и записывая прямую и обратную волны в комплексной форме, имеем:

Напряжение и ток прямой и соответственно обратной волн связаны законом Ома:

Это соотношение объясняет смысл названия — волновое сопротивление.

Постоянные интегрирования входящие в (11-9) и (11-10), находятся в зависимости от напряжения и тока в начале линии (граничные условия), если они заданы. При х = 0

откуда

Введем понятие коэффициента отражения волны в начале линии:

где — входное сопротивление линии.

Подстановка выражений для в (11-9) и (11-10) с учетом (11-16) дает:

Если заданы граничные условия на конце линии, то удобнее отсчитывать расстояние от конца, приняв координату х’.

Заменяя в уравнениях (11-9) и (11-10) х на (l — х’) и используя заданные граничные условия получаем для следующие выражения:

Подставив их в (11-9) и (11-10), получим окончательные выражения для

где аналогично предыдущему — коэффициент отражения в конце линии:

— выходное сопротивление на конце линии или в случае приемника входное сопротивление его.

Если сопротивление приемника равно волновому сопротивлению линии то коэффициент отражения равен нулю При этом в линии имеется только одна прямая волна; обратная волна отсутствует.

Это важное свойство реализуется в линиях связи, отражения в которых нежелательны по ряду причин.

Во-первых, если затухание в линии невелико, то отраженная волна создает эффект эха в начале линии.

Во-вторых, отражения связаны с потерей энергии. Часть энергии, достигшая приемного конца, не поступает в приемник, а возвращается по линии в виде энергии отраженной волны. При этом возникают дополнительные потери энергии в сопротивлении r и проводимости g линии. Если сопротивление источника, питающего линию, не равно волновому сопротивлению линии, то отраженная волна, достигнув начала линии, претерпевает повторное отражение и т. д. Происходящая вследствие этого потеря энергии в линии понижает общий к. п. д. передачи.

В-третьих, в случае отражений может иметь место нежелательное увеличение напряжения или тока в линии.

Вследствие указанных причин на практике стремятся согласовать сопротивление приемника с волновым сопротивлением линии. При согласовании нагрузки с линией выражения (11-18) упрощаются: с учетом того, что находим:

Эти выражения показывают, что при перемещении точки наблюдения вдоль линии, нагруженной согласованно-на конце, в направлении от конца к началу линии, модуль напряжения возрастает в раз, а фаза — на рад.

Уравнения (11-19) аналогичны уравнениям симметричного четырехполюсника при согласованной нагрузке. Поэтому показатель распространения на всю длину линии эквивалентен мере передачи четырехполюсника g, а волновое сопротивление линии аналогично характеристическому сопротивлению четырехполюсника

Выражения (11-19) показывают, что при согласованной нагрузке геометрическим местом конца вектора напряжения является логарифмическая спираль. На рис. 11-4, иллюстрирующем сказанное, принято (вектор направлен по действительной оси).

Большой интерес представляет также рассмотрение двух частных случаев нагрузки линии, а именно случаев, когда линия на конце разомкнута (режим холостого хода)

или замкнута (режим короткого замыкания). В первом случае и соответственно коэффициент отражения во втором случае

К рассмотрению этих двух случаев мы вернемся несколько позже.

Система уравнений (11-18) может быть переписана в следующем виде:

Уравнения (11-18) и (11-20) представляют собой уравнения линии в показательной (или волновой) форме при отсчете расстояния от конца линии. Они преобразуются с помощью гиперболических функций:

Положив в этих уравнениях х’ = l, получим уравнения линии в гиперболической форме, выражающие напряжение и ток в начале через напряжение и ток в конце линии:

Обращает на себя внимание сходство полученных уравнений с уравнениями симметричного четырехполюсника. Эти уравнения показывают, что однородная линия представляет собой симметричный четырехполюсник с характеристическими параметрами и

Применяя параметры четырехполюсника, получим связь между коэффициентами его и параметрами линии:

Показательная и гиперболическая формы записи уравнений линии (11-18) и (11-21) дополняют друг друга и применяются в зависимости от условий задачи.

Преимущество показательной формы записи уравнений заключается в большей наглядности рассмотрения физических процессов в линии с помощью прямых и обратных волн и удобстве построения геометрических мест на комплексной плоскости. Поэтому уравнения (11-18) широко использованы в последующих параграфах данной главы.

Гиперболическая форма записи уравнений также представляет в ряде случаев известные удобства с точки зрения исследования и расчета электрических величин в линии и их фазовых соотношений.

Рассмотрение линии как четырехполюсника базируется обычно на гиперболической форме записи уравнений.

Вторичные параметры однородной линии

Вторичными, или характеристическими, параметрами линии являются коэффициент ослабления, коэффициент фазы и волновое сопротивление которые в свою очередь выражаются через первичные параметры линии и частоту.

следует, что

Совместное решение этих уравнений дает:

Из полученных выражений следует, что в общем случае зависят от частоты. Однако, как показывает исследование, в отличие от коэффициента ослабления, который изменяется в сравнительно ограниченных пределах, коэффициент фазы неограниченно растет с частотой.

Формула (11-25) позволяет выразить фазовую скорость распространения электромагнитной волны через первичные параметры линии и частоту по формуле (11-14).

Выражения (11-24) и (11-25) неудобны для практического использования ввиду их громоздкости. Существует ряд приближенных расчетных формул для вычисления вторичных параметров линии, учитывающих, что в области высоких частот (порядка 1 МГц и выше) сопротивление r весьма мало по сравнению а проводимость g ничтожно мала по сравнению с Первое допущение обусловлено тем, что индуктивное сопротивление прямо пропорционально частоте, между тем как сопротивление проводов r пропорционально квадратному корню из частоты вследствие поверхностного эффекта. Второе допущение справедливо для высокочастотных фидеров, которые, будучи «длинными» по сравнению с длиной волны, имеют весьма малую физическую длину и поэтому могут иметь надежную изоляцию между проводами. Особенно ничтожно мала проводимость g кабельных линий.

Используя для выражения

бином Ньютона, ограничиваясь первыми двумя членами разложения

и пренебрегая ввиду малости слагаемым — получим окончательно:

Эти формулы представляют собой пределы, к которым стремятся коэффициент ослабления и коэффициент фазы с ростом частоты.

Выражение (11-28) не следует понимать в том смысле, что а не зависит от частоты; входящие в него параметры r и g сами являются функциями частоты.

Первое слагаемое в правой части выражения (11-28) определяет ту долю ослабления, которая обусловливается продольным активным сопротивлением линии. Второе слагаемое определяет долю ослабления, которая вносится в передачу вследствие наличия поперечной активной проводимости линии.

Для уменьшения потерь при передаче электромагнитной энергии по линии стремятся к тому, чтобы сопротивление линии r и проводимость изоляции g были по возможности малы.

Фазовая скорость согласно (11-14) и (11-29) равна:

Это предельная фазовая скорость распространения волны вдоль линии при бесконечно большой частоте. При постоянном токе = 0) понятия коэффициент фазы и фазовая скорость теряют физический смысл; на основании выведенной ранее формулы для (11-7) при = О

На рис. 11-5 показан характер изменений а и в зависимости от частоты; коэффициент р с ростом частоты асимптотически приближается к прямой, образующей с осью угол

где m — масштабный коэффициент.

Для кабельных линий характерна резко выраженная емкостная проводимость по сравнению с которой проводимость изоляции g ничтожно мала. Кроме того, если частота не очень велика, то индуктивное сопротивление мало по сравнению с активным сопротивлением r из-за малого расстояния между жилами. Поэтому в случае кабельной линии, пренебрегая параметрами g и L по сравнению с r и С, получаем упрощенные расчетные формулы

или

Соответственно фазовая скорость распространения волны в кабельной линии равна

т. е. прямо пропорциональна корню квадратному из частоты.

В теории электромагнитного поля доказывается, что произведение удельных значений индуктивности и емкости в линии

где с — скорость света в пустоте (около 3* 108 м/с); — диэлектрическая и магнитная проницаемости среды, окружающей токоведущие проводники.

Предел, к которому с ростом частоты стремится фазовая скорость волны, равен на основании (11-30) и (11-33):

В случае воздушной линии и потому фазовая скорость в пределе стремится к скорости света в пустоте.

В случае кабельной линии и поэтому предельная фазовая скорость примерно вдвое меньше скорости света в пустоте.

Рисунок 11-6 иллюстрирует зависимость фазовой скорости волны от частоты и типа линии.
Волновое сопротивление линии

при постоянном токе = 0) и бесконечной частоте = оо) имеет действительные значения

В остальной части диапазона частот волновое сопротивление линии имеет емкостный характер, так как обычно[аргумент знаменателя в

правой части (11-34) больше аргумента числителя].

На рис. 11-7 показаны кривые изменения модуля и угла волнового сопротивления линии в зависимости от частоты.

Подставив выражения для L и С в формулу , получим приближенные расчетные формулы для высоких частот в зависимости от размеров:

Средние значения для воздушных линий 400—500 Ом, для кабелей 50—70 Ом.

Рисунок 11-8 иллюстрирует графические зависимости от d/a и для воздушных и кабельных линий, построенные по формулам (11-35).

Линия без искажений

Сигналы, передаваемые по линии связи, представляют собой совокупность множества различных частот: дискретных — в случае периодических несинусоидальных сигналов и образующих непрерывный спектр — в случае непериодических сигналов.

Неискаженной передачей сигнала называется такая передача, при которой форма сигнала в начале и конце линии одинакова, т. е. все ординаты кривой напряжения или тока в конце линии прямо пропорциональны соответствующим ординатам кривой в начале линии. Такое явление имеет место в том случае, когда коэффициент ослабления линии, а также фазовая скорость на всех частотах одинаковы.

Неодинаковое затухание на разных частотах создает так называемые амплитудные искажения, а неодинаковая скорость волн на разных частотах — фазовые искажения.

Согласно (П-31) и (11-32) коэффициент ослабления и фазовая скорость в случае кабельных линий пропорциональны квадратному корню из частоты. В случае воздушных линий также существует зависимость а и от частоты. В результате этого получаются амплитудные и фазовые искажения.

Итак, для неискаженной передачи требуется, чтобы коэффициент ослабления а не зависел от частоты, а коэффициент фазы был прямо’пропорционален частоте; в последнем случае фазовая скорость получается не зависящей от частоты.

Такое положение имеет место при условии, что

В этом случае коэффициент распространения равен:

Если считать, что первичные параметры линии не зависят от частоты, то коэффициент ослабления в данном случае будет постоянен:

а коэффициент фазы — прямо пропорционален частоте:

Линия, параметры которой удовлетворяют условию (11-36), называется линией без искажений, поскольку любые сигналы распространяются по ней с сохранением их формы. Линия без искажений является одновременно и линией с минимальным затуханием, которое только и возможно при заданных параметрах r и g.

Волновое сопротивление линии без искажений — действительное число, что равносильно активному сопротивлению, не зависящему от частоты; в соответствии с (11-34) оно выражается простой формулой

Фазовая скорость в линии без искажений постоянна и совпадает с полученным ранее выражением (11-30) для предельной скорости распространения волны вдоль линии при бесконечно большой частоте:

Для устранения искажений, вызываемых несогласованностью сопротивления приемника с сопротивлением линии, т. е. во избежание возникновения отражений на приемном конце, сопротивление приемника должно быть равно Коэффициент полезного действия линии имеет в этом случае наибольшее возможное значение, равное как в линии при согласованной нагрузке.

Ввиду того что волновое сопротивление линии без искажений является активным, при согласованной нагрузке напряжение и ток в любой точке линии совпадают по фазе. Отношение мгновенных значений напряжения и тока в любой точке такой линии равно:

откуда

Следовательно, на любом отрезке линии без искажений, нагруженной согласованно, энергия магнитного поля в каждый момент времени равна энергии электрического поля.

Следует заметить, что на практике условие (11-36), как правило, не выполняется; отношение обычно значительно меньше отношения C/g. Вследствие этого затухание линии всегда превышает минимальное. Наименее соответствуют условию (11-36) кабельные линии.

Чтобы линия наиболее соответствовала условию (11-36), следовало бы изменить какой-либо первичный параметр, например уменьшить r или С либо увеличить g или L.

Уменьшение активного сопротивления r возможно за счет применения проводов большего диаметра, что, однако, значительно удорожало бы линию. Увеличение проводимости изоляции g невыгодно, так как при этом возросло бы затухание линии.

Наилучшим средством для приближения первичных электрических параметров к оптимальному соотношению (11-36) является искусственное увеличение индуктивности включением в линию через определенное расстояние индуктивных катушек или применением кабеля, проводящие жилы которого обмотаны тонкой лентой из материала с высокой магнитной проницаемостью.

Линия без потерь

Независимо от того, соблюдается ли оптимальное соотношение первичных параметров (11-36) или не соблюдается, во всех случаях желательно, чтобы активное сопротивление r и проводимость изоляции g были по возможности малы (для уменьшения потерь энергии).

В воздушных линиях обычно индуктивное сопротивление линии превышает активное сопротивление r, а емкостная проводимость превышает активную проводимость g. С ростом частоты разница между указанными величинами становится еще более значительной.

В ряде случаев оказывается полезным в первом приближении рассматривать линию, не имеющую потерь, т. е. пренебрегать активными сопротивлением и проводимостью по сравнению с соответствующими реактивными составляющими. Такая идеализация допускается для приближенной качественной и количественной оценки исследуемых явлений. При этом весьма упрощаются расчетные выражения и гиперболические уравнения линии переходят в тригонометрические.

Итак, основным исходным предложением, которое делают при рассмотрении линии без потерь, .является приближенное условие, что В этом случае вторичные параметры линии принимают весьма простой вид, а именно:

Саедовательно, в линии без потерь ослабление отсутствует. Ввиду постоянства фазовой скорости

отсутствуют также фазовые искажения.

Выражения для коэффициента фазы, фазовой скорости и волнового сопротивления линии без потерь совпадают с выражениями, полученными для линии без искажений. Следовательно, все сказанное о линии без искажений полностью относится и к линии без потерь.

Ввиду того, что гиперболические функции с мнимым аргументом преобразуются в тригонометрические функции, гиперболические уравнения линии (11-21) принимают тригонометрическую форму:

Эти уравнения используются ниже при рассмотрении стоячих волн в линии без потерь.

Энергия, передаваемая по линии, складывается из энергии электрического и магнитного полей.

В том случае, когда к концу линии без потерь присоединено сопротивление, равное волновому, на любом отрезке линии соблюдается условие (11-40), полученное для линии без искажении. При этом вся энергия, доставляемая падающей волной, поглощается в сопротивлении нагрузки.

Если сопротивление нагрузки отлично от волнового, то в месте присоединения нагрузки энергия перераспределяется между полями, в результате чего возникают отражения.

В предельном случае, когда линия на конце разомкнута, падающая волна встречает бесконечно большое сопротивление; ток в конце линии обращается в нуль, и соответственно энергия магнитного поля переходит в энергию электрического поля. Напряжение на разомкнутом конце линии удваивается, и возникает отраженная волна того же знака, что и падающая = 1; см. (11-16а)].

В другом предельном случае, когда линия на конце замкнута накоротко,, падающая волна встречает сопротивление, равное нулю, напряжение в конце линии обращается в нуль и соответственно энергия электрического поля переходит в энергию магнитного поля. Ток на короткозамкнутом конце линии удваивается, и возникает отраженная волна, знак которой противоположен знаку падающей волны =—1).

При активной нагрузке коэффициент отражения при Поэтому в первом случае возрастает напряжение и убывает ток, а во втором случае, наоборот, убывает напряжение и возрастает ток по сравнению с режимом согласованной нагрузки = 0).

Режимы работы линии без потерь. Стоячие волны

Исследуем закон распределения действующих напряжения и тока вдоль линии без потерь. С этой целью воспользуемся уравнениями линии (11-18) и (11-41) в комплексной и гиперболической формах.

Приняв в (11-18) мнимый коэффициент распространения получим для любой точки линии на расстоянии х’ от конца:

Входящий в эти уравнения коэффициент отражения

представляет собой в общем случае комплексную величину.

Выражения (11-42) наглядно свидетельствуют о том, что комплексное напряжение в любой точке х’ слагается

из падающей и отраженной волн напряжения, амплитуды которых находятся в соотношении в свою очередь комплексный ток равен разности падающей и отраженной волн тока с тем же соотношением амплитуд.

Точкам (k — целое число), удовлетворяющим условию

соответствует максимальное действующее значение U, так как при этом фазы падающей и отраженной волн напряжения совпадают. На расстоянии от этих точек падающая и отраженная волны оказываются в противофазе и действующее напряжение имеет минимум. При этом удовлетворяется условие

Координаты максимумов и минимумов U, являющиеся многозначными функциями не зависят от времени, т. е. с течением времени они остаются на одном и том же месте; минимум U располагается посредине между двумя соседними’ максимумами U, причем расстояние между ближайшими максимумами (или минимумами) составляет

Таким образом, кривая действующих значений напряжения вдоль линии без потерь представляет собой волнообразную кривую, максимумы и минимумы которой чередуются (см. дальше рис. 11-10, б и г).

Аналогичные рассуждения приводят к выводу, что и кривая действующих значений тока вдоль линии без потерь представляет собой волнообразную кривую, смещенную относительно кривой действующих значений напряжения на четверть длины волны. Места максимумов напряжения совпадают с местами минимумов тока и, наоборот, минимумы U совпадают с максимумами I.

При отсутствии отраженной волны = 0) действующие значения U и I вдоль линии без потерь не изменяются.

Чем больше приближается коэффициент отражения к единице, тем больше разнятся максимумы и минимумы U (или I).

При = 1, т. е. при равенстве амплитуд прямой и обратной волн, в линии устанавливаются стоячие волны напряжения и тока. Кривые действующих значений U и I вдоль линии представляют собой в этом случае «выпрямленные» синусоиды; на линии образуются у з л ы, т. е. точки, в которых U или I равны нулю, и п у ч н о с т и, т. е. точки, в которых U или I максимальны.

Из сказанного выше следует, что узлы напряжения совпадают с пучностями тока и, наоборот, узлы тока сов-

падают с пучностями напряжения. Соответственно узлы (или пучности) напряжения и тока сдвинуты на четверть длины волны друг относительно друга.

На рис. 11-9 в виде примера показано сложение прямой и обратной волн напряжения, имеющих одинаковые амплитуды, для трех моментов времени: Сумма бегущих в противоположные стороны волн образует стоячую волну, показанную на рис. 11-9 в виде мгновенных значений для моментов времени

Из этого рисунка видно, что на протяжении всего участка между двумя соседними узлами стоячей волны синусоидальное изменение напряжения во времени происходит с одинаковой начальной фазой: при прохождении узла начальная фаза синусоидальных колебаний изменяется скачкообразно на величину Сказанное в равной мере относится и к стоячей волне тока.

На основании приведенного выше выражения для коэффициента отражения можно заключить, что условие = 1 выполнимо в трех случаях: при (холостой ход), (короткое зашивание) и (реактивная нагрузка). Этим условиям соответствуют стоячие волны, возникающие в линии без потерь.

Распределение действующих значений напряжения и тока вдоль линии для холостого хода и короткого замыкания иллюстрируется на рис. 11-10, а и д.

Для сравнения на рис. 11-10 показано распределение напряжения и тока для других режимов работы линии.

При активной нагрузке (случай б) максимумы и минимумы U и I совпадают по своему местоположению с аналогичными значениями для режима холостого хода; при активной нагрузке (случай з) максимумы и минимумы расположены так же, как при коротком замыкании; при согласованной нагрузке (случай в) кривые U и I изображаются прямыми, параллельными оси абсцисс.

Стоячие волны легко исследуются с помощью уравнений (11-41).линии без потерь.

При холостом ходе = 0)

Узлы напряжения находятся в точках, для которых

или

откуда

Пучности напряжения находятся в точках, для которых

или

откуда

Разомкнутый конец линии совпадает с узлом тока и пучностью напряжения (рис. 11-10, а).

Как видно из (11-45), ток опережает по фазе напряжение на 90°, когда имеют одинаковый знак и т.д.) и отстает на 90° от напряжения, когда знаки различны

и т. д.).

При коротком замыкании, положив в (11-41) получим

На замкнутом конце линии х’ = 0 и в точках, удаленных от него на целое число полуволн х’ находятся узлы напряжения и пучности тока, а в точках, удаленных от конца на нечетное число четвертей волн

находятся пучности напряжения и узлы тока (рис. 11-10,5).

Как видно из (11-46), ток отстает по фазе от напряжения на 90°, когда имеют одинаковые знакии т. д.). и опережает на 90° напряжение, когда знаки различныи т. д.).

Следует заметить, что наличие хотя бы самых малых потерь в реальных линиях приводит к тому, что действующие значения U и I не снижаются до нуля, а достигают некоторых минимальных значений в точках, соответствующих узлам.

В случае стоячих волн мощность в узлах напряжения и тока равна нулю. В остальных точках линии имеет место только реактивная мощность, так как напряжение и ток сдвинуты по фазе на 90°. В этом случае энергия не передается вдоль линии, а происходит лишь обмен энергией между электрическим и магнитным нолями на участках линии, ограниченных узлами напряжения и тока.

Если в линии имеются потери или приемник потребляет активную мощность, то узлы исчезают; амплитуда падающей волны превышает амплитуду отраженной волны, н за счет разности амплитуд происходит процесс передачи энергии вдоль линии.

Для количественной оценки степени согласования линии с нагрузкой в радиотехнике используется коэффициент бегущей волны, под которым понимается отношение минимума кривой распределения U или I к максимуму той же величины:

С учетом (11-43) и (11-44) имеем:

откуда

В случае активной нагрузки выражение (Н-48) упрощается. При и согласно (11 -48)

при и, следовательно,

В реальных условиях коэффициент бегущей волны обычно не ниже 0,5—0,6.

Кривую распределения действующих значений напря* жения вдоль линии используют на практике для измерения длины волны или частоты. Длина волны определяется удвоенным расстоянием между соседними максимумами или минимумами кривой распределения, а частота вычисляется по длине волны на основании (11-15).

Входное сопротивление линии

Входное сопротивление линии, измеренное в произвольной точке на _ расстоянии х’ от конца, определяется отношением и может быть представлено в комплексной или гиперболической форме. Ради общности рассмотрения вопроса будем считать, что линия нагружена на конце некоторым сопротивлением которое в зависимости от условий может быть любым.

Комплексная форма выражения для входного сопротивления линии получается на основании (11-18):

или

Данное выражение показывает, что с изменением координаты х’ модуль входного сопротивления линии колеблется между некоторыми максимумами и минимумами (которые в общем случае отличаются друг от друга).

Допустим, что модуль Z достигает некоторого максимума в точке Тогда максимумы будут также в точках, соответствующих изменению аргумента на величину , что даст:

Следовательно, максимумы чередуются через каждые полволны. Посредине между максимумами будут минимумы, которые также чередуются через каждые полволны.

Если вместо координаты варьировать коэффициентом фазы меняя частоту источника, то получится аналогичная волнообразная кривая, причем максимумы и соответственно минимумы будут отстоять друг от друга на (здесь х’ = const). Исследуя изменение входного Сопротивления линии при плавном изменении частоты источника, можно зафиксировать два следующих друг за другом максимума (или минимума) z, соответствующих частотам

В этом случае
и, следовательно,
откуда
При малом расхождении частот фазовые скорости почти одинаковы:

Данная формула позволяет определить расстояние от точки наблюдения до ближайшей точки линии, в которой имеет место отражение (например, при коротком замыкании на линии), производя измерение только в одной точке.
Волнообразный характер кривой z подчиняется в общем случае закону изменения модуля гиперболического тангенса с комплексным аргументом, что видно из следующего вывода.

Непосредственно из (11-21) следует:

Обозначив имеем
При холостом ходе входное сопротивление линии согласно (11-53) равно:

а при коротком замыкании

С учетом (11-55) и (11-56) входное сопротивление Z легко выразить через

Этой формулой пользуются в том случае, когда из опытов холостого хода и короткого замыкания известны

Данные опытов холостого хода и короткого замыкания используются также для вычисления характеристических параметров линии.

На основании (11-55) и (11-56)

Эти формулы совпадают с (9-35). Ввиду того что коэффициент фазы р определяется по (11-57) неоднозначно, при вычислении производится проверка на основании (11-14), причем первоначально фазовая скорость выбирается ориентировочно.

Вычисление характеристических параметров по формулам (11-57) иллюстрировано ниже примером 11-1.

На рис. 11-11 показаны кривые изменения модулей в зависимости от координаты х’. В пределе, т. е. при х’ максимумы и минимумы кривой стремятся к значению

Входные сопротивления линии без потерь при холостом ходе и коротком замыкании могут быть получены из (11-55) и (11-56) заменой

Эти реактивные входные сопротивления с учетом их знака изображаются котангенсоидами и тангенсоидами (рис. 11-12). Аргументом может служить также величина если изменять частоту при постоянной длине х’.

Сопоставляя эти графики с частотными характеристиками сопротивлений реактивных двухполюсников, легко убедиться в их сходстве: резонансы напряжений и токов чередуются, однако в отличие от двухполюсников, имеющих ограниченное число резонансов, линия без потерь имеет бесконечное число резонансных точек, что соответствует представлению линии как цепочки из бесконечного числа индуктивностей и емкостей.

Входное сопротивление линии без потерь при индуктивно в случае короткого замыкания и емкостно в случае холостого хода. При в первом случае наступает резонанс токов (z = ), во втором случае — резонанс напряжений (z= 0).

Следует отметить, что в реальных условиях вследствие наличия потерь входное сопротивление линии никогда не снижается до нуля и никогда не достигает бесконечного значения.

При этом короткозамкнутая линия при имеет большее входное сопротивление, чем разомкнутая линия при , а разомкнутая линия при имеет меньшее входное сопротивление, чем короткозамкнутая при .

Пример 11-1.

Даны результаты измерения входных сопротивлений линии длиной 160 км на частоте 1000 Гц при холостом ходе и коротком замыкании: Ом. Требуется вычислить первичные и вторичные параметры линии.

Расчет начинается с вычисления волнового сопротивления и коэффициента распространения:

Целое число к находится на основании ориентировочного расчета величины если исходить из приближенного значения фазовой скорости км/с (если линия воздушная), то

Следовательно, надо принять

коэффициент распространения

Первичные параметры линии находятся на основании выражений:

Таким образом,

Линия как элемент резонансной цепи

Четвертьволновая линия с малыми потерями, разомкнутая на конце, обладает свойствами резонансной цепи, состоящей из последовательно соединенных r, L и С. При частоте, при которой на линии укладывается четверть волны (такую частоту условимся называть резонансной), входное сопротивление линии будет активным и притом минимальным.

При малом отклонении частоты от резонансной модуль входного сопротивления линии резко возрастает: входное сопротивление приобретает емкостный характер при понижении частоты и индуктивный характер — при повышении.

Входное сопротивление линии с малыми потерями, разомкнутой на конце, можно получить из (11-21), разлагая по формулам тригонометрии и приняв ввиду малости

Выражение примет вид:

Вблизи резонансной частоты 1. Поэтому

Если через обозначить коэффициент фазы при резонансной частоте, т. е. принять и учесть соотношение то можно преобразовать следующим образом:

Здесь, так же как и расстройка частоты по отношению к резонансной. Следовательно,

Было показано, что при частоте, близкой к резонансной, когда значительно, меньше единицы, комплексное сопротивление резонансной цепи равно:

Рассматривая четвертьволновую линию как резонансную цепь, можно в силу одинаковой структуры выражений (11-58) и (11-59) считать, что добротность линии равна:

При этом резонансные характеристики, приведенные, применимы и к рассматриваемой линии.

Соответственно полоса пропускания, представляющая собой величину, обратную добротности, равна:

Здесь под полосой пропускания, подразумевается отнесенная к резонансной частоте ширина резонансной кривой между точками, соответствующими половине максимальной мощности (когда).

При малых значениях коэффициента а добротность получается высокой, достигая примерно 1000—4000, что намного превышает добротность контуров r, L и С, В связи с этим возрастает и острота настройки.

Искусственные линии

Искусственной линией называется цепь с сосредоточенными параметрами, приближающаяся по своим частотным характеристикам (в заданном диапазоне частот) к цепи с распределенными параметрами.

Искусственные линии находят широкое применение в лабораторных условиях и в особенности в современной импульсной радиотехнике для получения требуемого запаздывания сигналов.

Отмечалось, что всякая однородная линия представляет собой симметричный четырехполюсник с. мерой передачи, равной

и характеристическим сопротивлением, равным волновому:

Заменяя линию эквивалентным Т-образным четырехполюсником, согласно рис. 9-17, а получаем на основании формул (11-23) расчетные выражения:

Для какой-либо фиксированной частоты такой Т-образный четырехполюсник может быть осуществлен. Однако при передаче сигналов в некоторой заданной полосе частот величины представляют сложные функции от частоты, не реализуемые в виде простейших элементов. В этом случае искусственная линия создается в виде цепной схемы, каждое звено которой с достаточной степенью точности заменяет весьма малый участок однородной линии.

• Электрическая энергия, ее свойства и применение
• Электрическая цепь
• Электрический ток
• Электрические цепи постоянного тока
• Анализ переходных и установившихся процессов методом интеграла свертки
• Операторный метод расчета переходных процессов
• Метод пространства состояний электрических цепей
• Синтез электрических цепей

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Постоянная уравнения однородной линии для комплекса напряжения

Теория электрических цепей

ГЛАВА 13. ЦЕПИ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

13.1. Общие положения

До сих пор рассматривались R L С электрические цепи в пред­положении, что параметры сосредоточены в определенных элемен­тах цепи: индуктивность сосредоточена в катушке (энергия маг­нитного поля катушки локализована в ее магнитопроводе), емкость сосредоточена в конденсаторе (энергия электрического поля лока­лизована между обкладками конденсатора); резистивное сопротив­ление сосредоточено в резисторе (преобразование электрической энергии в резисторе в тепловую осуществляется в токопроводящем слое резистора). Такие цепи получили название цепей с сосредо­точенными параметрами

Однако представление электрических цепей в виде цепей с со­средоточенными параметрами не всегда возможно. Например, рас­сматривая передачу электромагнитной энергии в линии связи, фи­дере, антенне, волноводе и т. д., следует учитывать, что магнитное и электрическое поля распределены по всей длине этих устройств и превращение электромагнитной энергии в тепло также происхо­дит по всей длине устройств. В таких цепях приходится сталки­ваться с распределенными по длине нндуктивностями, емкостями, резистивными сопротивлениями, поэтому они называются цепями с распределенными параметрами

Ток и напряжение на выходе сколь угодно малого участка (от­резка) цепи с распределенными параметрами не равны соответ­ственно току и напряжению на его входе и отличаются как по величине, так и по фазе. Таким образом, ток и напряжение в лю­бой точке цепи являются функциями не только времени t, но и пространственных координат (например, расстояния от одного из концов цепи).

Заметим, что деление цепей на два класса – с сосредоточенными и распреде­ленными параметрами, достаточно условно. Одну и ту же цепь следует рассмат­ривать как систему с сосредоточенными или распределенными параметрами в за­висимости от частоты, на которой она работает. Действительно, если на входе цепи действует гармонический сигнал, то в силу конечной скорости распростране­ния электромагнитных колебаний (близкой к скорости света) возмущение от ис­точника за время, равное периоду колебания T, пройдет расстояние, равное дли­не волны электромагнитного колебания: l = cT= c/f, где с – скорость света; f – частота колебания.

При длине цепи, совпадающей с длиной волны колебания, изменение мгновен­ного значения напряжения в конце цепи запаздывает на целый период по срав­нению с изменением мгновенного значения напряжения источника. В цепях, дли­на которых l > l, запаздывание может составлять большое число периодов. Сле­довательно, если длина цепи соизмерима или значительно превышает длину вол­ны распространяющегося в ней электромагнитного колебания, то напряжение (ток) является функцией времени и расстояния от начала цепи. Цепь является системой с распределенными параметрами.

Если длина цепи намного меньше длины волны, то изменения напряжения в любой точке и в конце цепи происходят одновременно с изменением мгновенного значения напряжения источника. Никакого запаздывания в такой цепи нет: напряжение (ток) является только функцией времени. Эту цепь можно считать си­стемой с сосредоточенными параметрами. Например, отрезок коаксиального кабе­ля длиной 30 см при передаче по нему телевизионных сигналов (с наивысшей частотой 8,5 мГц) может считаться цепью с сосредоточенными параметрами, по­скольку l = c/fmax = 3×108/(8,5×106) = 35 м >> 0,3 м. Наоборот, в области дециметро­вых волн (l — десятки сантиметров) этот же отрезок кабеля должен рассматри­ваться как цепь с распределенными параметрами. Отрезок же коаксиального ка­беля длиной, например, в 1 км является цепью с распределенными параметрами и для телевизионного сигнала.

В дальнейшем из обширного класса цепей с распределенными параметрами будем изучать так называемые длинные линии, пред­назначенные для передачи электромагнитной энергии на расстоя­ние и имеющие длину, превышающую длину волны электромагнит­ных колебаний. К ним относятся двухпроводные воздушные линии связи, симметричные и коаксиальные кабельные линии проводных систем связи, фидеры, связывающие радиопередатчики с антеннами и т. д. При этом будем полагать, что конструктивные данные длин­ной линии (материал и диаметр ее проводов, их взаимное распо­ложение) и ее параметры сохраняются неизменными по длине линии. Такие длинные линии называются однородными

Целью изучения однородных длинных линий является анализ распределений напряжений и токов вдоль линии. В основе анализа лежит представление о длинной линии как о цепи с бесконечно большим числом бесконечно малых по величине пассивных элемен­тов, распределенных равномерно по ее длине.

13.2. Уравнения передачи однородной линии

Первичные параметры. Длинные линии могут иметь самую различную конструкцию. Так, двухпроводная воздушная линия (рис. 13.1, а) состоит из параллельных неизолированных проводов, укрепленных с помощью изоляторов на специальных опорах. Сим­метричная кабельная цепь представляет собой два изолированных скрученных друг с другом провода, образующих так называемую пару (рис. 13.1, б). Скрученные между собой пары (или четверки), заключенные в металлическую или пластмассовую защитную обо­лочку, образуют симметричный кабель.

Коаксиальная пара является основой коаксиального кабеля и состоит из внутреннего цилиндра – провода сплошного сечения, помещенного в полый цилиндр (рис. 13.1, в).

Сопротивление R – это сопротивление проводов линии единич­ной длины. Например, для двухпроводной линии сопротивление (Ом/км) где r – удельное сопротивление материала проводов при темпера­туре 20° С, Ом×мм2/м; l – длина линии, м; S – площадь попереч­ного сечения провода, мм2; r – радиус провода, мм.

При температурах, отличных от 20° С, сопротивление проводов вычисляется по формуле где sT – температурный коэффициент, 1/град; Т – температура, ° С. Так, сопротивление двухпроводной медной линии длиной 1 км (километрическое сопротивление) из проводов диаметром 4 мм при температуре Т= 20° С для частоты f = 0 составляет 2,84 Ом/км.

Наличие поверхностного эффекта (вытеснение тока из внутрен­них слоев проводника на его поверхность при увеличении частоты) приводит к увеличению сопротивления R с ростом частоты (см. § 1.2).

Индуктивность L определяется отношением магнитного потока, сцепляющегося с контуром единичной длины, к току, вызываю­щему этот поток. Индуктивность линии складывается из внешней и внутренней индуктивностей. Первая определяется геометриче­скими размерами линии и не зависит от частоты; вторая зависит от материала проводов, их диаметра и частоты.

Поверхностный эффект уменьшает внутреннюю индуктивность при возрастании частоты. Например, километрическая индуктив­ность двухпроводной медной цепи (Гн/км) с диаметром проводов 2r = 4 мм и расстоянием между прово­дами lпр = 200 мм составляет на частоте f = 10 кГц (с учетом маг­нитной проводимости m = 1 и коэффициента действия поверхност­ного эффекта kпэ = 1,8) 1,89 мГн/км.

Емкость С определяется отношением заряда, приходящегося на единицу длины линии, к напряжению между проводами линии.

Для двухпроводной линии емкость (Ф/км) где e – диэлектрическая проницаемость вещества в пространстве между проводами. Например, километрическая емкость воздушной двух­­проводной медной цепи (для воздуха e= 1) из проводов диамет­ром 2r = 4 мм и расстоянием между проводами lпр= 200мм состав­ляет 7,4 нФ/км.

Проводимость G обусловлена несовершенством изоляции и представляет собой активную составляющую проводимости изоля­ции между проводами, отнесенную к единице длины линии. Для воздушной линии проводимость изоляции зависит от климатиче­ских условий (влажности, температуры и др.), чистоты поверхно­стей изоляторов и т. д.

Проводимость изоляции возрастает с ростом частоты (особен­но для кабельных цепей) за счет увеличения потерь в диэлектрике. Для воздушных цепей проводимость (См/км) G = G0 +kпf, где G0 – проводимость изоляции на постоянном токе; kп – коэффициент, учитывающий потери в диэлектрике при переменном токе; f –ча­стота.

Для кабельных цепей G =G0 +wCtgd, где tgd – тангенс угла диэлектрических потерь

После введения первичных параметров можно уточнить поня­тие однородной длинной линии. Однородной называется такая ли­ния, первичные параметры которой неизменны на всей ее длине.

Уравнения передачи однородной линии. Найдем распределения напряжения и тока в линии по ее длине и во времени.

Выделим элементарный участок линии длиной Dx, находящийся на расстоянии х от начала линии (рис. 13.2). Его эквивалентную схему можно приближенно представить в виде последовательно включенных сопротивления RDx и индуктивности LDx и парал­лельно включенных активной проводимости GDx и емкости СDх

Таким образом, линия рассматривается как цепь с бесконечно большим числом звеньев, электрические параметры которых беско­нечно малы. При стремлении Dх к нулю точность такого представ­ления возрастает.

Здесь и далее используются частные производные, так как на­пряжение и ток являются функциями переменных t и х

Уменьшение тока на участке Dх происходит за счет ответвле­ния тока через емкость СDх и проводимость изоляции GDx. Пренебрегая изменением напряжения как величиной второго порядка малости, можно написать (13.1 б)

Разделив обе части уравнений (13.1 а и б) на Dх и перейдя к пределу при Dх ® 0, получим дифференциальные уравнения линии:

Эти уравнения называются телеграфными так как впервые были получены для линии телеграфной связи.

Будем считать, что в линии имеет место режим установившихся гармонических колебаний. Поскольку закон изменения напряже­ний и токов во времени известен, то из дифференциальных урав­нений (13.2) остается найти лишь законы изменения амплитуд и фаз напряжений и токов с расстоянием х

Используя символический метод анализа гармонических коле­баний, в котором

преобразуем уравнения (13.2) к виду

Так как комплексные действующие значения U и I являются функциями только х, уравнения записываются не в частных, а в полных производных.

Продифференцировав первое уравнение из (13.3) по х и под­ставив в него второе уравнение,получим

Введя обозначение перепишем это уравнение в виде

Корни характеристического уравнения p2– 2 =0 равны p1,2 = = ± . поэтому общее решение дифференциального уравнения (13.5) для напряжения в точке х ищем в виде

Из первого уравнения системы (13.3) имеем (13.6 б)

Введя еще одно обозначение запишем решение для тока в точке х в форме (13.7 б)

Постоянные интегрирования A1 и A2 можно найти из начальных условий: при х = 0 Ux = U1 и Ix = I1, где U1 и I1 – напряжение и ток в начале линии. Тогда из (13.6 а и б) для х = 0:

Откуда

Подстановка полученных значений постоянных интегрирования в (13.6) дает следующие уравнения для определения напряже­ния Ux и тока Ix в произвольной точке х длинной линии

Это есть уравнения передачи однородной длинной линии* Параметры и Zв получили название коэффициента распростра­нения и волнового сопротивления линии. Их физический смысл бу­дет рассмотрен позже.

Если учесть, что

то уравнения передачи (13.8) можно переписать в более компакт­ной форме:

В конце линии x = l и Ux = U2 Ix = I2. Уравнения (13.9 а) примут вид (13.9 б)

Разрешая эту систему уравнений относительно напряжения U1 и тока I1 в начале линии, получаем (13.9 в)

Эти уравнения совпадают с известными нам уравнениями пе­редачи (12.35) для симметричного четырехполюсника при l = Гс и Zв = Zс, что вполне понятно, так как линия связи представляет собой симметричный четырехполюсник.

13.3. Падающие и отраженные волны

Обозначим в уравнениях передачи (13.8) Uп = (U1 + I1Zв)/2 и U0 = (U1 – I1Zв)/2. С учетом этих обозначений запись уравнений передачи однородной длинной линии упростится и будет иметь вид где

Напряжение и ток состоят из сумм двух слагаемых. Первые слагаемые уменьшаются с увеличением расстояния от начала ли­нии х, вторые – возрастают. Создается впечатление о существова­нии в линии двух типов волн: падающей и отраженной. Чтобы убе­диться в этом, рассмотрим мгновенные значения напряжения и тока.

Помня, что в (13.10) все величины в общем случае комплексные можно по известным правилам (см. § 3.2) перейти от (13.10) для комплексных значений к уравнениям передачи для мгновенных значений напряжений и токов. Для простоты положим jп = j0 = 0. Тогда

Проанализируем сначала первые слагаемые этих уравнений, которые обозначим

В каждом сечении линии (т. е. в каждой точке х) колебания напряжения и тока являются гармоническими. Амплитуда этих колебаний уменьшается по мере удаления от начала линии по за­кону е–aх. В каждой последующей точке линии колебания отстают по фазе от колебаний в предыдущей точке (на это указывает знак «минус» перед bх).

Если в момент времени t1 сделать фотографию распределения, например, напряжения uxпад вдоль линии, то она будет иметь вид кривой 1 (рис. 13.3). В следующий момент t2 фаза напряжения в каждой точке линии изменится на величину w(t2 – t1), и вся кар­тина как бы сместится вдоль оси х вправо (кривая 2 на рис. 13.3). Аналогичная ситуация будет наблюдаться и в момент времени t3 > t2 (кривая 3 на рис. 13.3).

Если сделать последовательно ряд мгновенных фотографий и затем их проецировать на экран, то создается впечатление движу­щейся волны напряжения вдоль цепи. Фактически же вдоль цепи распространяется состояние равной фазы. Например, можно взять точку цепи х1, соответствующую максимуму напряжения в момент времени t1 (точка А на рис. 13.3) и определить скорость ее пере­мещения. Скорость распространения вдоль цепи состояния равной фазы называется фазовой скоростью распространения

В момент времени t1 в точке х1 имеется определенное фазовое состояние wt1 – bх1. Это же фазовое состояние будет наблюдаться в точке х2, но уже в момент времени t2 wt2 – bх2. Приравнивая их получаем wt1– bх1= wt2– bх2

Фазовую скорость распространения (км/с) найдем как отно­ше­ние расстояния х2– х1, пройденного точкой A, ко времени t2 – t1

Таким образом, уравнения (13.12) описывают волны напряже­ния и тока, распространяющиеся от начала к концу линии. Такие волны называются падающими

Обратимся ко вторым слагаемым выражений (13.11), которые обозначим

Эти слагаемые описывают волны точно такого же характера, как и падающие, но распространяющиеся в обратном направлении, т. е. от конца линии к началу. Эти волны называются отражен­ными волнами напряжения и тока. Амплитуды отраженных волн убывают от конца линии к началу, наибольшая амплитуда наблю­дается в конце линии.

В соответствии с рассмотренной картиной можно сказать, что в установившемся режиме гармонических колебаний напряжение и ток в любой точке линии складываются из падающих и отражен­ных волн напряжения и тока, т. е. ux = uxпад + uxотр; ix = ixпад + + ixотр. Отраженные волны возникают в конце линии.

Складывая эти равенства и вычитая из первого второе, имеем:

Отношение комплексной амплитуды отраженной волны к ком­плексной амплитуде падающей волны называется коэффициентом отражения по напряжению Отсюда

Коэффициент отражения по напряжению показывает, какую часть амплитуды падающей волны в конце линии составляет ампли­туда отраженной волны. Амплитуда отраженной волны тока

В то же время I2отр = siI2пад, где si – коэффициент отражения по току. Отсюда видно, что si = —su, т. е. коэффициент отражения по току равен по значению и противоположен по знаку коэффициенту отражения по напряжению.

Рассмотрим некоторые частные режимы работы линии. Если линия замкнута накоротко на конце (короткое замыкание (КЗ)), т. е. Zн = 0, то коэффициент su= —1, а коэффициент si= 1. Падаю­щая и отраженная волны напряжения в конце линии имеют рав­ные амплитуды и сдвинуты по отношению друг к другу на 180°. Амплитуда результирующей волны напряжения в конце линии бу­дет равна нулю. В то же время падающая и отраженная волны тока будут иметь равные амплитуды, что приведет к увеличению тока в конце короткозамкнутой линии.

При холостом ходе (XX) в конце линии Zн = ¥ коэффициент su = 1 и si=—1, т. е. картина изменится на противоположную: ток в нагрузке будет равен нулю, а напряжение увеличится вдвое. Случай, когда Zн = Zв, рассмотрен ниже.

13.4. Вторичные параметры однородной линии

Волновое сопротивление. Одним из вторичных параметров одно­родной линии является волновое сопротивление линии, определяе­мое через первичные параметры формулой (13.7)

При w= 0 и jв = 0, т. е. волновое сопротивление чисто активное. Точно такой же характер имеет Zв при w=бесконечность;

Для всех реально существующих цепей R/G > L/C, поэтому мо­дуль волнового сопротивления с увеличением частоты уменьшается, стремясь к величине Угол jв изменяется от нулевого значе­ния при w = 0 до нулевого значения при w=бесконечность;. Следовательно, на какой-то частоте он будет иметь максимум. Можно показать, что угол jв на всех частотах является отрицательным. На рис. 13.4 по­казаны графики частотных зависимостей модуля и угла волнового сопротивления однородной линии.

Чтобы выяснить физический смысл волнового сопротивления, воспользуемся выражениями для комплексных амплитуд падаю­щих волн напряжения и тока из (13.10): и откуда

Аналогичным образом можно сказать, что Волновое сопротивление не зависит от длины линии – оно по­стоянно в любой точке линии.

Пример. Определим волновое сопротивление воздушной медной линии из про­водов диаметром 2r = 4 мм и расстоянием между проводами lпр = 20 см и кабель­ной линии с бумажной изоляцией жил диаметром 2r = 0,5 мм на частотах f = 0; 0,8 и 10 кГц для воздушной цепи и f = 0 и 0,8 кГц для кабельной цепи.

Для воздушной линии первичные параметры, взятые из справочника: R = = 2,84 Ом/км; С = 6,3 нФ/км; L = l,93 мГн/км; G = 0,57×10 См/км.

При f = 0 =2,38 кОм. При f = 800 Гц (w= 2p 800рад/с)

На частоте f = 10кГц wL R и wC G, поэтому = 548 Ом.

Для кабельной линии: R = 190 Ом/км, С = 50 нФ/км, L = 0,7 мГн/км, G = 5×10–4 мкСм/км. На частоте f = 0 = 615 кОм. Для частоты f = 800 Гц справедливо соотношение R wL и wC G. Следовательно, Ом.

Согласованное включение линии. Рассмотрим режим работы линии, когда Zн = Zв. В этом случае коэффициенты отражения su = si = 0 и отраженные волны напряжения и тока будут отсут­ствовать (Uxотр = 0 и Ixотр = 0).

Напряжение и ток в любой точке линии, в том числе и на входе (x = 0), будут определяться только падающими волнами. Со­гласно (13.14) , т. е. входное сопротивление такой линии равно ее волновому сопротивлению. Таким об­разом, волновое сопротивление линии является аналогом характе­ристического сопротивления симметричного четырехполюсника

Указанный режим работы линии является режимом согласо­ванного включения. При этом вся энергия поглощается в конце линии нагрузочным сопротивлением. Этот режим работы наиболее выгоден для передачи сигналов связи, так как отражение энергии от нагрузки приводит помимо увеличения рабочего ослабления линии к появлению так называемых эхо-сигналов, накладываю­щихся на основной сигнал и искажающих его.

Уравнения передачи однородной линии в режиме согласован­ного включения могут быть легко получены из (13.9 б и в), если учесть, что при согласованном включении а так­же что

Для любой точки линии (13.15 б)

Коэффициент распространения. Ко вторичным параметрам ли­нии относится также коэффициент распространения, введенный в рассмотрение формулой (13.4):

В режиме согласованного включения линии из (13.15) имеем: или

Отсюда

Для отрезка линии единичной длины (1 км, 1 м и т. д.) можно записать:

Вещественная часть коэффициента распространения a характе­ризует изменение напряжения и тока по абсолютной величине при распространении энергии на расстояние, равное единице длины линии. Она называется коэффициентом ослабления линии и изме­ряется в неперах, отнесенных к единице длины линии (в проводной связи – Нп/км, в радиосвязи – Нп/м). При использовании деся­тичного логарифма вместо натурального

измеряется в дБ/км или дБ/м.

Мнимая часть коэффициента распространения b характери­зуется изменением напряжения и тока по фазе. Она называется коэффициентом фазы линии и измеряется в рад/км или рад/м. Вместо радиан могут использоваться градусы.

Процесс изменения напряжения (тока) вдоль согласованно на­груженной линии можно проиллюстрировать векторной диаграм­мой, показанной на рис. 13.5, а или так называемой спиральной диаграммой, приведенной на рис. 13.5, б

Численные значения коэффициентов a и b можно найти по первичным пара­метрам из общей формулы (13.4). Однако в ряде случаев можно получить бо­лее простые выражения. Так, на высоких частотах (для электрической цепи из меди, например, это частоты 10 кГц), где выполняются условия wL > R и wC > G пользуются упрощенными формулами:

Вывод этих формул дан в специальной литературе и здесь не приводится. Для кабельных цепей в области низких частот (например, от 0 до 800 Гц) вы­полняются соотношения R wL и wC G. В этом случае можно показать, что a = b = . Вторичные параметры a и b зависят от частоты сложным образом. На рис. 13.6, а и б даны графики, качественно отражающие эту зависимость.

Пример. Определим коэффициент распространения воздушной медной линии c параметрами 2r = 4 мм и lпр = 20 см на частоте f = 800 Гц.

Значение коэффициента найдем по полной формуле (13.4), взяв первичные параметры из предыдущего примера:

Отсюда коэффициент ослабления a = 2,86×10–3 Нп/км = 2,86 мНп/км. Перевод непер в децибелы дает a (дБ) = a (Нп)´8,7 = 24,9×10–3 дБ/км. Коэффициент фа­зы b = 17,6×10–3 рад/км.

Постоянная передачи длинной линии. При распространении энергии по линии на расстояние l напряжение и ток уменьшаются в e^(al) раз, а фазы напряжения и тока изменятся на величину bl

Величина al описывает ослабление напряжения и тока при распространении энергии по всей длине линии и называется характеристической (собственной) по­стоянной ослабления линии: Ас = al

Из формул (13.15 а) следует, что

где S1 и S2 – полные мощности на входе и выходе линии. Поэтому

Величина Bс = al = ju1 – ju2 = ji1 – ji2 называется характеристической (собст­венной) постоянной фазы линии

По аналогии с теорией четырехполюсников величина Гс = Ас + jВс является характеристической (собственной) постоянной передачи линии

Заметим, что при отсутствии согласования, т. е. при Zн ¹ Zв условия передачи энергии по линии следует оценивать величиной рабочей постоянной передачи Гp = Аp + jВp по формулам, полученным в общей теории четырехполюсников (см. гл. 12).

13.5. Входное сопротивление линии

Входное сопротивление линии определяется отношением напря­жения и тока в начале линии. Найдем выражение для Zвх, исполь­зуя уравнения передачи линии в форме (13.9 в):

Рассмотрим некоторые частные режимы работы линии.

При согласованном включении линии (Zн = Zв) из (13.16) получим, что Zвх = Zв как и было установлено ранее.

Если выходные зажимы линии замкнуты накоротко (Zн = 0), формула (13.16) упрощается и принимает вид (13.17 а)

В случае разомкнутых выходных зажимов (Zн = бесконечность)

Когда линия нагружена на произвольное сопротивление, не рав­ное волновому (Zн <> Zв), можно пользоваться для расчетов общей формулой (13.16). Однако иногда удобно выразить Zвх через пара­метры XX и КЗ. Для этого разделим числитель и знаменатель (13.16) на

Данная формула позволяет по измеренным значениям сопротивле­ний XX и КЗ рассчитать входное сопротивление линии.

Существует еще одна форма представления входного сопротивления. Для получения ее перепишем выражение (13.16) после деления на в другом виде:

Обозначим . Тогда

Эта формула дает возможность по заданным параметрам Zв и Zн определить

и затем найти входное сопротивление линии.

Во всех случаях, когда нагрузка на конце линии не равна ее волновому сопротивлению, входное сопротивление определяется гиперболическим тангенсом комплексного аргумента. Чтобы дать представление о характере изменения входного сопротивления ли­нии, на рис. 13.7, а показаны зависимости модулей сопротивле­ний XX и КЗ от длины линии, построенные в соответствии с фор­мулами (13.17), а на рис. 13.7, б изображена зависимость мо­дуля Zвх от частоты из (13.18) при несогласованной нагрузке линии.

13.6. Линия без потерь

Вторичные параметры и уравнения передачи. Реальная линия всегда обладает потерями. Однако в ряде случаев удобно считать линию идеальной, т. е. не имеющей потерь. Линия без потерь – это линия, у которой рассеяние энергии отсутствует, что имеет место при значениях первичных параметров R = 0 и G =0.

Такая идеализация оправдана для коротких по длине линий, работающих на сверхвысоких частотах (фидеров, элементов радио­технических устройств, полосковых линий, измерительных линий, согласующих СВЧ устройств и др.), где выполняются условия R wL и g wC и поэтому резистивными сопротивлением прово­дов и проводимостью изоляции можно пренебречь по сравнению с индуктивным сопротивлением и емкостной проводимостью линии.

Коэффициент распространения линии без потерь

Отсюда коэффициент ослабления a = 0, а коэффициент фазы b = w линейно зависит от частоты.

Волновое сопротивление линии без потерь является чисто активным (резистивным).

Коэффициент фазы b связан с длиной волны электромагнит­ного колебания. Длиной волны l называется расстояние между двумя точками, взятыми в направлении распространения волны, фазы в которых отличаются на 2p. Следовательно, bl = 2p и l = 2p/b

Уравнения передачи линии без потерь получаются из (13.9 в), если учесть, что

При анализе процессов, происходящих в линии без потерь, об­щепринято расположение той или иной точки на линии характе­ризовать ее удалением не от начала линии, как это делали прежде, а от конца линии (рис. 13.8). В этом случае уравнения передачи линии без потерь, выражающие комплексные действующие значе­ния напряжения и тока в произвольной точке линии х, отсчитанной от ее конца, записываются в виде:

Рассмотрим различные режимы работы линии без потерь.

Заменяя комплексные амплитуды их модулями и фазами, т. е. и и полагая для упрощения ju2 = = ji2 = 0, перейдем к уравнениям передачи для мгновенных значе­ний напряжений и токов. Тогда

Эти уравнения описывают падающие волны, распространяю­щиеся в линии слева направо, т. е. от начала к концу линии (рис. 13.9, а). На направление распространения волн указывает знак «плюс» перед bx (напомним, что расстояние х отсчитывается от конца линии).

Таким образом, при согласованном включении линии без по­терь в ней существуют только падающие, или бегущие, волны напряжения и тока. При этом амплитуды колебаний постоянны по всей длине линии (рис. 13.9, б). Данный режим работы линии на­зывают также режимом бегущей волны. Сдвиг фаз между напря­жением их и током ix равен нулю, поэтому энергия бегущей волны носит активный характер.

Короткое замыкание линии. При Zн = 0 напряжение в конце линии U2 = 0. Уравнения передачи (13.19) для данного режима ра­боты линии принимают вид:

Если положить для простоты начальную фазу ji2 тока в конце линии равной нулю, то мгновенные значения напряжения и тока в любой точке линии описываются выражениями:

Амплитуды напряжения и тока явля­ются функциями координаты х. В линии есть точки, в которых амплитуда напряжения (тока) в любой момент времени равна нулю. Это так называемые узлы напряжения (тока). Имеются также точки, в которых амплитуда напряжения (тока) приобре­тает максимальное значение – пучности напряжения (тока).

Узлы напряжения и пучности тока образуются в точках, в ко­торых bx = 0, p, 2p, . так как при этом sin bx = 0 и ux = 0, a cos bx = ±1 и ток ix имеет максимальную амплитуду. Пучности напря­жения и узлы тока возникают в тех точках линии, где

При этих значениях bх sin bх = ±1, в этом случае амплитуда на­пряжения ux оказывается максимальной, a cos bх = 0 и амплитуда тока ix равной нулю. Рассмотрим причины появления узлов и пуч-ностей напряжения и тока.

При КЗ линии коэффициенты отражения имеют значения

т. е. происходит полное отражение энергии, в результате чего в любой точке цепи результирующее напряжение (ток) оказывается равным сумме падающих и отраженных волн. Действительно, из уравнений в комплексной форме (13.20) следует:

Поскольку потерь в линии нет, амплитуды падающих и отражен­ных волн во всех точках линии одинаковы.

Сдвиг фаз между падающей и отраженной волнами напряже­ния в точке х

а между падающей и отраженной волнами тока

Удобно рассматривать в линии без потерь точки х, отстоящие от конца линии на расстояния, кратные четверти длины волны, т. е. кратные l/4. В конце линии (х = 0) ju = —p и ji = 0. Следова­тельно, падающая и отраженная волны напряжения находятся в противофазе, а падающая и отраженная волны тока – в фазе. Поэтому в конце линии наблюдается узел напряжения и пучность тока.

В промежуточных точках между узлами и пучностями фазовые соотношения отличны от 0, p 2p и т. д. В них амплитуды напряжения и тока принимают промежуточные значения между нулем и максимальным значением.

Векторная диаграмма, приведенная на рис. 13.10, иллюстрирует соотношение фаз между падающей и отраженной волнами тока в различных точках КЗ линии.

Распределение модулей комплексных амплитуд напряжения |Ux| и тока |Ix| по длине линии представлено на рис. 13.11. Рас­стояние между соседними узлами (пучностями) равно l/2.

Таким образом, в КЗ линии возникают волны напряжения и тока, которые не распространя­ются вдоль линии, находятся на одном месте. Такие волны называ­ются стоячими а уравнения пере­дачи (13.20) и (13.21) – уравне­ни­ями стоячих волн. Описываемый режим работы линии получил также название режима стоячих волн

Определим входное сопротивление КЗ линии в произвольной точке х. Из (13.20) следует, что

При x = 0, l/2, l, 3l/2, . величина и вход­ное сопротивление = 0. При х = l/4, 3l/4, 5l/4, . вели­чина и входное сопротивление = = ±j¥

На рис. 13.13 приведена зависимость от длины линии (расстояния х от конца линии).

Меняя длину КЗ линии без потерь, можем получить вход­ное сопротивление, имеющее индуктивный характер (в диапазоне x = = 0 . l/4), емкостный характер (х = l/4 . l/2), затем опять индук­тивный (х = l/2 . 3l/4) и т. д.

При длинах, кратных l/4, входное сопротивление короткозамкнутой линии без потерь эквивалентно входному сопротивлению параллельного колебательного контура, а при длинах, кратных l/2 – входному сопротивлению последовательного колебательного контура.

Учитывая, что в линиях, без потерь и, следовательно, частота w и длина линии l (или расстояние от конца линии х) вхо­дят в выражение симметричным образом, приходим к вы­воду, что частотная зависимость аналогична зависимости от длины линии (рис. 13.14). На тех частотах, где bl кратно p/2, , а где bl кратно p, = 0. При фиксированной длине КЗ линия представляет собой двухполюсник с бесконечным числом резонансов.

Размыкание линии. В режиме XX Zн = ¥ и I2 = 0. Уравнения пе­редачи получим из (13.19):

Для мгновенных значений имеем (при начальной фазе напря­жения ju2 = 0):

Сравнивая уравнения передачи (13.22) и (13.23) с уравнениями КЗ линии (13.20) и (13.21), видим, что полученные уравнения так­же являются уравнениями стоячих волн. Разница состоит в том, что узлы и пучности напряжения при XX совпадают с узлами и пучностями тока при коротком замыкании, а узлы и пучности тока разомкнутой линии – с узлами и пучностями напряжения КЗ ли­нии. В конце разомкнутой линии образуется пучность напряжения и узел тока.

Данный режим работы линии по аналогии с предыдущим назы­вается режимом стоячих волн. Входное сопротивление разомкну­той линии без потерь определяется из (13.22):

Его график, отражающий зависимость от х, дан на рис. 13.15.

Включение линии на реактивное сопротивление. Пусть линия нагружена на индуктивность Lн (рис. 13.16, а). При заданной частоте w сопротивление нагруз­ки Zн = jwLн

Из рис. 13.13 видно, что отрезок закороченной линии длиной меньше l/4 име­ет входное сопротивление индуктивного характера. Поэтому всегда можно подо­брать такую длину отрезка l¢, при которой его входное сопротивление равнялось бы заданному сопротивлению Zн. Заменим индуктивность Lн отрезком КЗ линии (рис. 13,16, б). Эта замена позволяет применить теорию КЗ линии и сразу же построить кривые распределения напряжения и тока в линии, нагруженной на ин­дуктивность (рис. 13.16, в). В рассматриваемой линии возникают стоячие волны. Этот режим отличается от режима КЗ замыкания тем, что ближайший узел и пучность сдвинуты от конца линии на некоторое расстояние.

В случае, когда линия нагружена на емкость Cн с сопротивлением Zн = = 1/(jwCн), можно заменить эту емкость отрезком разомкнутой линии длиной l Zв = rв, и рассмотрим распространение по линии волны напря­жения.

Падающая волна не вся поглощается нагрузкой, часть ее отра­жается обратно в линию. Амплитуда отраженной волны меньше амплитуды падающей волны, поэтому падающую волну можно представить в виде суммы двух волн. Одна из них, равная по амплитуде отраженной волне, взаимодействуя с ней, образует стоя­чую волну. Отставшаяся падающая волна является бегущей. Та­ким образом, в линии возникает смешанная волна, состоящая из бегущей и падающей волн. Данный режим работы называется режимом смешанных волн

На рис. 13.17 показано распределение по длине линии модуля комплексной амплитуды напряжения. В линии будут отсутствовать узлы и пучности, а будут наблюдаться минимумы и максимумы амплитуды волн.

Чтобы оценить близость данного режима к режиму бегущей волны, вводят коэффициент бегущей волны

Величина kбв изменяется в пределах от 0 представляет собой амплитуду бегущей волны , т. е. той волны, которая поглощается частью сопротивления нагрузки, рав­ной волновому сопротивлению. Поэтому

Максимальное значение амплитуды смешанной волны

где |Ucв| – максимальная амплитуда стоячей волны. Отсюда на­ходим

Часто используют обратную величину kcв = 1/kбв которую на­зывают коэффициентом стоячей волны

Из общих уравнений передачи линии без потерь (13.19) рассмотрим сначала уравнение для напряжения:

Воспользуемся подстановкой в виде тождества

Тогда после несложных преобразований получим

Уравнение передачи для мгновенных значений напряжения находим как обычно (полагая при этом ju2 = 0):

Первое слагаемое этого уравнения является бегущей волной, второе слагае­мое – стоячей волной. При kбв = 0 первое слагаемое обращается в нуль и в урав­нении присутствует только стоячая волна. При kбв = 1 обращается в нуль второе слагаемое и уравнение содержит только бегущую волну.

Рассматривая аналогичным образом уравнение для тока ix(t), имеем:

Можно сделать некоторые выводы:

если переносимая вдоль линии энергия полностью рассеивается на ее конце (линия нагружена на резистивное сопротивление, рав­ное волновому), то отражение энергии отсутствует и в линии суще­ствуют только бегущие волны;

если энергия в конце линии не рассеивается (короткое замы­кание, холостой ход, реактивная нагрузка), то происходит полное отражение волн, и, как следствие этого, в линии образуются только стоячие волны;

когда переносимая вдоль линии энергия лишь частично рассеи­вается на ее конце (линия замкнута на резистивное сопротивле­ние, не равное волновому), в линии одновременно присутствуют как бегущие, так и стоячие волны.

13.7. Применение отрезков линий с пренебрежимо малыми потерями

Колебательный контур. В технике сверхвысоких частот вместо колебательных контуров на сосредоточенных реактивных элемен­тах используют отрезки короткозамкнутых или разомкнутых линий с малыми потерями. Частотные характеристики входных сопротив­лений таких отрезков (см. рис. 13.14) в области частот, при­легающих к резонансной, достаточно хорошо воспроизводят харак­теристики колебательных контуров. Значения добротностей отрез­ков линий достаточно велики и могут достигать, например, для короткозамкнутых четвертьволновых отрезков нескольких тысяч единиц. Это позволяет успешно использовать их для селекции ко­лебаний весьма высоких частот.

Линейный вольтметр. Непосредственное включение в цепь обыч­ного измерительного прибора при очень высокой частоте на­рушает режим работы цепи, так как вносит в нее добавочное реактивное и резистивное сопротивления. Измерительный прибор с малым входным сопротивлением, включенный через чет­верть­вол­­но­вый отрезок линии, называют линейным вольтметром (рис. 13.19). Подключение измерительного прибора к отрезку ли­нии практически создает КЗ. Входное сопротивление линейного вольтметра оказывается очень большим, и он не оказывает замет­ного влияния на цепь, в которой измеряется напряжение. Измеряе­мое действующее значение напряжения связано с действующим значением тока, протекающего через измерительный прибор, зави­симостью U = rвI, что следует из уравнения (13.20) при х = l/4.

Полосовой фильтр. На сверхвысоких частотах, где потери в ли­нии пренебрежимо малы, КЗ отрезки линии могут быть использо­ваны для построения фильтров. В качестве примера на рис. 13.20, а показана схема полосового фильтра, построенного на двух КЗ от­резках линии. В продольное плечо схемы включен полуволновый отрезок, в поперечное плечо – четвертьволновый. Первый отрезок имеет входное сопротивление, аналогичное входному сопротивлению последовательного колебательного контура. Второй, четверть­волновый, отрезок играет роль параллельного колебательного кон­тура. Эквивалентная электрическая схема фильтра дана на рис. 13.20, б

Четвертьволновой трансформатор сопротивлений. При длине отрезка х = l/4 уравнения передачи (13.19) упрощаются и прини­мают вид:

Такой отрезок можно использовать в качестве согласующего трансформатора сопротивлений. Если включаемые каскадно линии имеют разные волновые сопротивления Zв1 и Zв2, то у четвертьвол­нового согласующего трансформатора в качестве сопротивления нагрузки выступает волновое сопротивление Zв2. Входное сопротивление согласующего трансформатора должно быть равно Zв1. Для выполнения этого условия достаточно выбрать Zв трансформатора равным Тогда

Такой согласующий трансформатор приведен на рис. 13.21.

Пример. На входе отрезка линии без потерь длиной l/2, нагруженного на резистивное сопротивление Rн = 37,5 Ом, включен источник с Uг = 10 В. Волновое сопротивление отрезка Zв = rв = 75 Ом. На расстоянии l/4 от конца отрезка к нему подключен короткозамкнутый шлейф длиной lш = l/8 и волновым сопротивлением Zв = rв = 75 Ом. Определим входное сопротивление отрезка и ток на его входе.

Отрезок линии с короткозамкнутым шлейфом изображен на рис. 13.22. Найдем сначала входное сопротивление части отрезка длиной l/4 от сопротивления Rн до точек а—б, рассматривая эту часть как трансформатор сопротивления: = 150 Ом.

Входное сопротивление КЗ шлейфа длиной l/8, определяется по формуле где

Таким образом, левая часть отрезка длиной l/4 оказалась нагруженной на параллельное соединение сопротивлений и т. е. на сопротивление

Входное сопротивление всего отрезка определим, рассматривая первую поло­вину отрезка как трансформатор сопротивления. Поэтому Ток на входе отрезка линии

Вопросы и задания для самопроверки

1. Привести примеры применения длинных линий.

2. Как рассчитывается длина волны, излучаемой радиовещательной станцией?

3. Рассчитать и построить графики первичных параметров коаксиального кабеля 2,6/9,4 мм в диапазоне частот 812 . 17569 кГц. При расчетах принять e = 1,1; tg d = 0,6×10–4, длина кабеля l = 1 км.

Ответ: L = 2,57×10–4 Гн/км, С = 47,5 нФ/км,

R = 4,1×10–2 Ом/км, G = 1,8×10–14 См/км.

4. Используя данные задачи 3, рассчитать волновое сопротивление кабеля , длину волны l

Ответ: Zв = 73,5 Ом, l = 0,286×109/f

5. Первичные параметры линии на частоте w = 104 с–1 имеют значения: R = 10 Ом/км, L = 0,5 мГн/км, С = 4×10–8 Ф/км, G = = 10–6 См/км. Рассчитать волновое сопротивление, коэффициент распространения и длину волны.

Ответ: Zв = 167,2 Ом, jв = –0,552 рад, a = 0,0157, b = –0,065 (для l = 1 км).

6. Почему кабельные линии связи работают в режиме согласованной нагрузки? Что произойдет, если волновое сопротивление антенного фидера не будет согласовано с входным сопротивлением телевизионного приемника?

7. Запишите уравнения передачи линии без потерь. Чем они отличаются от уравнений передачи линии с потерями?

8. Чем отличаются напряжения и токи в различных сечениях согласованно нагруженной линии без потерь?

9. Укажите различия между следующими понятиями: падающие и отраженные волны; бегущие, стоячие и смешанные волны.

10. Линия без потерь с волновым сопротивлением r = 90 Ом нагружена на сопротивление Rн. Коэффициент бегущей волны равен 0,6. Определить сопротивление нагрузки Rн

11.Какой минимальной длины необходимо взять отрезок линии без потерь с параметрами L = 0,49 мкГн, С = 25 мФ/м, чтобы на частоте f = 108 Гц получить из него индуктивность 0,223 мкГн.

Ответ: короткозамкнутый отрезок длиной 0,347 м.

*При анализе работы длинной линии под U и I в дальнейшем будем пони­мать их комплексные амплитуды (без введения индекса: Um и Im).